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JP2025519532A - 圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法及びこれにより得られたタンク - Google Patents

圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法及びこれにより得られたタンク Download PDF

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JP2025519532A JP2024572284A JP2024572284A JP2025519532A JP 2025519532 A JP2025519532 A JP 2025519532A JP 2024572284 A JP2024572284 A JP 2024572284A JP 2024572284 A JP2024572284 A JP 2024572284A JP 2025519532 A JP2025519532 A JP 2025519532A
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Abstract

Figure 2025519532000001
本発明は、細長圧密化織物要素を含むタンク、特に圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法に関し、前記方法は、各々が所定の角度で巻き付いた少なくとも1つのテープを含む複数層の熱可塑性複合テープを含む未圧密化細長織物プリフォームを、特定の装置(1)により製造するステップ(i)と、前のステップで得られた前記プリフォームを、前記熱可塑性複合テープを加熱及び冷却することで圧密化し、これらの動作により前記プリフォームが圧密化され、圧密化細長織物要素が得られるステップ(ii)と、を含み、前記プリフォームは、モジュール(4)のそれぞれに給送手段(6)を実装するステップであって、前記給送手段(6)は、選択されたテープ(10)を含み、選択された前記テープ(10)が少なくとも熱可塑性複合テープを含むステップと、前記モジュール(4)のそれぞれの前進速度V1及び回転速度V2を設定し、各モジュール(4)を起動するステップと、細長要素(11)を切断し、及び/又はテープ(10)の供給を使い切るステップと、得られた未圧密化細長織物プリフォーム(11)を回収するステップと、を含む方法によって製造され、前記ステップi)は、テープを編むステップを含まない。
【選択図】図1

Description

本発明は、細長い織物要素を含む、加圧流体、特に、水素を貯蔵するためのタンク、及びその製造方法に関する。
本発明は、高圧でガス、特に圧縮ガスを貯蔵するための、特定の細長織物要素を含むタンク、及びその製造方法に関する。
輸送の分野、特に自動車の分野で達成しようとする目的の1つは、汚染がますます少なくなっている車両を提案することである。これにより、バッテリーを含む電気車両又はハイブリッド車両は、ガソリン車両又はディーゼル車両などの内燃機関車両を徐々に置き換えることを目指す。しかしながら、バッテリーは、車両の比較的複雑な構成要素であることが判明した。車両内のバッテリーの位置によっては、衝撃と、極端な温度及び様々な湿度であり得る外部環境からバッテリーを保護する必要がある場合がある。火災のリスクを防止する必要もある。
さらに、電気車両又はハイブリッド車両のバッテリーは、通常、車両重量の10~30%を占める。このような過剰な重量は、燃料又はエネルギーの過剰消費など、様々な欠点につながる。
また、バッテリーセルを損傷せず、その耐用年数を維持するために、車両の動作温度が55℃を超えないようにすることが重要である。逆に、例えば、冬季には、バッテリーの動作を最適化するために、バッテリーの温度を上げる必要がある場合がある。
また、電気車両は、依然として、バッテリーの自律性、無尽蔵ではない資源である、バッテリーにおける希土類の使用、及びバッテリーを充電できるようにするために各国で電力を生産する問題など、いくつかの問題が存在する。
水素は、燃料電池によって電力に変換されて、電気車両に動力を供給することができるため、電気バッテリーの代替品となる。
しかしながら、水素の分子量が非常に低く、液化温度が非常に低いため、特に移動式貯蔵の場合、水素の貯蔵は、技術的に困難で費用もかかる。しかしながら、効果的に貯蔵するために、少量で貯蔵すべきであり、そのためには車両が使用される温度を考慮して、水素を高圧下に保つ必要がある。これは特に、バッテリーベースの電力に加えて、600~700km程度の自律性、又は基本的に市街地での使用では、それよりも低い自律性が求められる燃料電池ハイブリッド道路車両の場合に当てはまる。
水素タンクは、一般的に、金属又はポリマー製のシェル(ライナーとも呼ばれる)で構成され、シェルの外側への水素の拡散を防止すべきである。第1シェルは、タンクの内部圧力(例えば、700バール)に耐え、可能な衝撃又は熱源に耐えることを目的とする第2筐体(一般的に複合材料で製造される)によって保護されるべきである。さらに、タンクは、安全でなければならないバルブシステムを含む。
2016年12月改訂の、Memorandum on Hydrogen from the French Association for Hydrogen and fuel cells(AFHYPAC - Association Francaise pour l’hydrogene et la pile a combustible)シート4.2によれば、加圧下での水素の貯蔵及び分配は、長年にわたって標準的な慣行で、20又は25MPa(タイプI及びII)に加圧された、鋼製又は外側に繊維材料の巻線で補強された金属製のシリンダ又はシリンダアセンブリを用いていた。このような貯蔵方法の欠点は、サイズが20MPa及び常温(21℃)で14kg/mのみであるのに対して、メタンの場合には100kg/mであり、特に重量である。これは、水素によって引き起こされる脆化の問題を回避するために低い応力のレベルの鋼を使用することから生じる。いわゆるIV型複合タンクの技術の出現により、状況は根本的に変化した。上記タンクの基本原理は、一方を他方とは独立して管理するために、漏れ防止及び機械抵抗という2つの本質的な機能を分離することである。上記タイプのタンクでは、漏れ防止ライナー又はシースと呼ばれる(熱硬化性又は熱可塑性)樹脂で作られたブラダは、補強シース又は層と呼ばれる、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維(ガラス、アラミド、炭素)からなる補強構造と関連付けられる。上記タイプのタンクは、タンクの重量を低減し、激しい外部の攻撃の場合に爆発的破裂のリスクを防止しながら、はるかに高い圧力で作動することを可能にする。これにより、70MPa(700バール)の圧力は、実際には、現在の標準となっている。
タイプIVのタンクでは、漏れ防止層及び補強層は、互いに接着せず、しばしば漏れ防止層の崩壊の原因となる異なる材料で作られ、漏れ防止層と補強層との間の界面でのガスの蓄積及びタンクの内部圧力の低下の両方が同時に起こる。さらに、水圧試験後に行われるタイプIVタンクの乾燥は、漏れ防止層の崩壊のリスクがあるため、真空下でしか乾燥を行うことができないため、時間がかかり、費用がかかる。
このような問題は、2つの層の間に優れた溶接性及び耐久性を提供するために、漏れ防止層及び補強層のマトリックスに同じポリマーを使用するか、又は少なくとも複合マトリックスを構成するポリマーと相溶性のあるポリマーを使用することに基づくタイプVタンク(いわゆる4.5型タンク)の開発をもたらし、それによってシングルブロックタンクを得るために使用される。このようなタイプのタンクは、まだR&D段階にある。
複合シェルを製造するために、ガラス転移温度(以下、Tg)が高い、即ちTgが100℃を超えることができるタンクを製造するために、複合材のマトリックスとしてエポキシ樹脂を使用する方法が知られている。熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂を含む複合材の欠点は、熱硬化性樹脂の硬化後、充填/排出サイクルによって引き起こされる一定数の加圧/減圧サイクルを経ても、複合材が一般的に微小亀裂を生じ、これが大きな変動性又は機械的強度の損失さえ引き起こす。このような経時的な性能低下を予測して、炭素繊維含有量を増加させ、したがってタンクの重量とコストを増加させる必要がある。
さらに、熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂の場合、微小亀裂は、複合補強材の不透過性に悪影響を及ぼすため、タンクの内側に厚い漏れ防止層を使用する必要がある(即ち、タイプIVのタンク)。
最後に、リサイクル性の観点から、現在のタイプIVタンクは、リサイクル可能ではない熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂で作られた補強層を使用する。
しかしながら、タイプIVタンクに改良が加えられているにもかかわらず、タイプIVタンクには依然として欠点がある。特に、タンクの充填速度を加速することが求められている。また、ガスタンク、特に水素タンクの温度耐性は、現在の解決策では低すぎる。タンクの充填速度を加速することは、特に充填前に水素を-60℃に冷却することをさらに必要とせずに、消費者にとって有利であり、特にコストを削減する。
ガラス転移温度(以下、Tg)が高いポリフタルアミド補強層(以下、PPAと称する)の使用は、高温での機械抵抗の観点から重要な利点となる。さらに、上記タイプの樹脂は、熱可塑性であるため、容易にリサイクル可能なタンクを得るのに役立つ。樹脂の熱可塑性により、複合シェルの微小亀裂のレベルが低下し、それによって複合シェルの機械抵抗が強化され、機械抵抗の変動性が低減され、使用される炭素繊維の量が大幅に低減され、したがってタイプIVタンクと比較してタイプVタンクのコスト及びカーボンフットプリントが大幅に低減される。さらに、樹脂の半結晶性により、ガス、特に水素に対する漏れ防止性が向上する。したがって、複合シェルは、タンクの不透過性に寄与し、それによって漏れ防止層の厚さを減少させ、したがってタンクの内側の漏れ防止層のコスト及び重量を減少させる。
しかしながら、熱可塑性ポリマーの漏れ防止層に高温複合テープを巻き付けることによるそのようなタイプのタンクの製造は、タンクの製造の終了時にタンクを冷却する間に、関与する材料の膨張差、さらに特に漏れ防止層を構成する繊維とポリマーとの膨張差に固有の、熱起源の著しい残留応力の発生に関連して、困難を引き起こす。上記の問題は、炭素繊維複合補強材を構成するPPAマトリックスの場合に特に悪化する。実際に、PPAを含有する複合テープを使用するための高温は、このようなタイプの樹脂の高い融点とその高いTgに起因して、タンク内の追加の残留応力の主な原因となる。タンクが、Tgが低い、典型的にはTgが50℃程度のポリアミド樹脂の成形インサートを含む場合、上記残留応力は、インサートの変形をもたらし、タンクの完全な製造、特にタンクを閉じる基部の締結を妨げる可能性がある。容器がタイプVであり(又は4.5、即ち、複合材のマトリックスを構成するポリマーは、漏れ防止層のポリマーとは異なる性質のものであるが、2つのポリマーは、互いに相溶性があり、溶着可能なままである)、タンクが、Tgが低いポリアミド漏れ防止層、さらに特に、脂肪族ポリアミド漏れ防止層を有する場合、残留応力は、複合補強層内で剥離をもたらす可能性がある。
さらに、このような複合タンクの製造方法は、一般的に、時間がかかり、費用もかかる。そのため、従来は、熱可塑性複合テープの湿式フィラメント状巻線又は熱間巻線に基づいて、60リットル以上の単一ピース複合タンクを製造するために、数時間のサイクル時間が必要である。さらに、このような方法は、特定のタンクのサイズ以下、典型的に、30リットル以下では、非効率的であることが判明している。最後に、湿式含浸の場合又は熱可塑性複合テープのその場圧密化中に、樹脂で事前に含浸された繊維の使用中に加えられる圧力が低いことに関連する多孔性の存在により、得られた複合材の品質は不完全である。
したがって、このような複合タンクを製造するための通常の方法は、適合性のある複合タンク、即ち、例えばバッテリーパックの容積など、3つの次元のうちの少なくとも1つの次元で複雑及び/又は狭い形状の容積に挿入できるタンクを簡単かつ効率的に製造することはできない。適合性のあるタンクの最も有望なタイプのうちの一種は、パイプで互いに接続された小径複合チューブ(典型的に、直径<200mm)のアセンブリである。しかしながら、上述したように、現在の方法では、典型的には60リットルのタンクを一体で製造することができるため、全体のサイズが大きく、少なくともバッテリーパックに挿入することは不可能であるが、上記方法は、小径の管状タンクの製造に適しない。
したがって、今日では、高温でも優れた機械的強度を有し、リサイクル可能で適合性があり、ガス漏れ防止性に優れたタンクを製造できる、シンプルで迅速かつ安価なプロセスが求められる。このようなタンクは、圧力下、特に高圧下で水素だけでなく、あらゆるタイプのガスを貯蔵することに役立つ。
したがって、現在求められているのは、高温での機械抵抗に優れ、リサイクル可能かつ適合性があり、ガス漏れ防止性に優れ、製造が容易なタンクである。このようなタンクは、圧力下、特に高圧下で水素だけでなく、あらゆるタイプのガスを貯蔵することに役立つ。
このような問題は、以下の2つのステップを含む本発明の方法によって解決される。
未圧密化細長織物プリフォームを製造する第1ステップi)では、前記プリフォームは、複数層の少なくとも1つの熱可塑性複合テープ、好ましくは、複数層のテープを含み、各層は、クリンピングされずに所定の角度で巻き付いたテープを含み、前記プリフォームは、図1に示す特定の装置によって得られる。
第2ステップii)では、上述したステップで得られた織物プリフォームを特に圧力下で圧密化する。
前記方法は、複数の利点を有する。
まず第1に、複数層の織り又は編みテープを積み重ねるために同じ層を通過する必要があり、編み又は織りを含む方法とは異なり、本発明の方法のステップi)によるプリフォームの製造は、連続的に実行することができるため、大きな寸法、特に直径が小さく長さが長い織物プリフォームを迅速かつ安価に得ることができる。
さらに、本発明の方法のステップi)により、非常に多数の層を重ね合わせることが可能になり、プリフォームは、使用されるモジュールの数と同じ数のテープ層を含んでもよい。
ステップi)で実装された装置は、テープを同じ方向に沿って展開するためのガイドを実装する。これにより、この装置により、円筒形であるか否かに関係なく、様々な形状の細長織物プリフォームを製造することが可能になる。ステップi)によって得られたプリフォームは、横断面の制限部を含んでもよく、該横断面の制限部では、特に圧密化の前に、特定のテープが切断され、溶接され、インサートが配置される。同様に、プリフォームは、特定の非直線形状を与えるために室温で簡単に曲げることができ、その後、圧密化ステップii)の間に凍結することができる。しかしながら、そのためには、プリフォームの異なる層における繊維の配向の特定の選択を必要とする。これにより、前記方法は、特に自動車のバッテリーパックと同様の容積内に挿入できる適合性のあるタンクを容易に得る役割を果たす。
有利には、ステップii)により、単一ステップにおいて熱可塑性又は金属インサートを織物プリフォームのテープと共同圧密化することが可能となり、特に、チューブを閉じてそこからタンクを製造することが可能となり、これは、本発明によるタンクの製造方法のさらなる経済的利点となる。さらに、共同圧密化により、インサートと共同圧密化された細長織物要素との間の機械的強度及び/又は凝集性を向上させることができる。
これにより、本発明は、第1態様によれば、圧密化細長織物要素を含むタンク、特に圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法に関し、前記方法は、
各々が所定の角度で巻き付いた少なくとも1つのテープを含む複数層の熱可塑性複合テープを含む未圧密化細長織物プリフォームを、装置(1)により製造するステップ(i)と、
前のステップで得られた前記織物プリフォームを、前記熱可塑性複合テープを加熱及び冷却することで圧密化することにより、前記プリフォームが圧密化され、圧密化細長織物要素が得られるステップ(ii)と、を含み、
前記装置(1)は、フレーム(2)と、少なくとも2つのモジュール(4)と、を含み、
前記フレーム(2)は、方向Xに沿った主長手方向ガイド(3)を含み、前記ガイド(3)が前記フレーム(2)に取り付けられ、
前記少なくとも2つのモジュール(4)は、前記ガイド(3)の周囲に方向Xに沿って直列に配置され、各モジュール(4)は、
前記ガイド(3)の一部を囲む給送クラウン(5)と、
前記給送クラウン(5)に配置され、少なくとも1つのテープ(10)を、方向Xに対して-90°~90°の巻付角度で、かつ前進速度V1で前記ガイド(3)に向かって給送し、各テープ(10)が少なくとも前記ガイド(3)の周囲又は前記テープ(10)の上層に巻き付く、給送手段(6)と、
回転速度V2で前記ガイド(3)に対して回転するように前記給送クラウン(5)を駆動する駆動手段(15)とを含み、
前記プリフォームは、
前記モジュール(4)のそれぞれに給送手段(6)を実装するステップであって、前記給送手段(6)は、選択されたテープ(10)を含み、選択された前記テープ(10)が少なくとも熱可塑性複合テープを含むステップと、
前記モジュール(4)のそれぞれの前進速度V1及び回転速度V2をパラメータ化し、各モジュール(4)を起動するステップと、
細長要素(11)を切断し、及び/又はテープ(10)を使い切るステップと、
得られた未圧密化細長織物プリフォーム(11)を回収するステップと、
を含む方法によって製造され、
前記ステップi)は、テープを編むいずれのステップも含まない。
いくつかの実施形態では、本発明による方法は、以下の1つ又は複数の追加の特徴をさらに含む。
前記熱可塑性複合テープは、無機材料の連続又は不連続の補強繊維と、熱可塑性ポリマー組成物と、を含む。
無機材料の補強繊維は、熱可塑性ポリマー組成物でコアに含浸されるか又は予め含浸され、或いは、熱可塑性ポリマーの繊維と混合される。
前記熱可塑性複合テープは、熱可塑性ポリマーを含有する組成物で含浸される連続の繊維を含み、前記組成物は、前記熱可塑性ポリマーが非晶質である場合、ISO 11357-3:2013規格に従って測定されたガラス転移温度(Tg)が80℃より高く、好ましくは、100℃以上、より好ましくは、120℃より高く、前記熱可塑性ポリマーが半結晶質である場合、融点が150℃より高い。
前記複合テープの熱可塑性ポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む。
前記ポリアミドは、脂肪族、脂環式又は半芳香族ポリアミドである。
前記脂肪族ポリアミドは、PA5、PA5-10、PA6、PA66、PA6-10、PA6-12、PA6-18、PA9、PA10-10、PA10-12、PA11、PA12及びそれらの混合物から選択される。
前記半芳香族ポリアミドは、PA MPMDT/6T、PA11/6T、PA11/10T、PA11/BACT、PA5T/10T、PA11/6T/10T、PA MXDT/4T、PA MXDT/6T、PA MXDT/10T、PA MPMDT/4T、PA MPMDT/6T、PA MPMDT/10T、PA BACT/10T、PA BACT/6T、PA BACT/4T、PA BACT/10T/6T、PA11/BACT/4T、PA11/BACT/6T、PA11/BACT/10T、PA11/MXDT/4T、PA11/MXDT/6T、PA11/MXDT/10T、PA11/MPMDT/4T、PA11/MPMDT/6T、PA11/MPMDT/10T、PA11/MXDT/10T、PA11/5T/10T及びそれらの混合物から選択される。
前記熱可塑性複合テープの繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩又は玄武岩含有繊維から選択される。
前記熱可塑性複合テープの繊維は、一方向性であり、即ち、全部が前記テープの長さによって配向される。
前記複合テープの繊維含有量は、前記熱可塑性複合テープの40~70vol%、好ましくは、50~60vol%を占める。
選択された前記テープ(10)は、非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)をさらに含む。
前記非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)は、前記熱可塑性複合テープの質量分率に比べて、前記プリフォームの小さな質量分率を占める。
前記非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)を形成する前記ポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む。
前記熱可塑性複合テープ(10)の熱可塑性ポリマー組成物と、前記非複合熱可塑性ポリマーのテープ(10)の熱可塑性ポリマー組成物とは、相溶性があり、特に同一である。
前記テープ(10)の厚さは、50~300μm、特に50~260μm、さらに特に60μm~170μmである。
前記テープ(10)の幅は、5mm~50mm、特に10mm~15mmである。
前記テープ(10)の巻付角度は、方向Xに対して+90°~-90°である。
前記巻付角度は、+/-54.8°~+/-10°、好ましくは、+/-5°、より好ましくは、+/-1°に等しい。
ステップi)で製造された前記織物プリフォームは、横断面の変化、特に方向Xに沿った順次的な横断面の変化を含む。
ステップii)は、金型内で、特に前記プリフォームの外部で、さらに特に密閉金型内で実行される。
ステップii)において、前記圧力は、前記プリフォームの内部のブラダによって加えられる。
ステップii)の前に、ステップi)で得られた前記プリフォームの端部、好ましくは、前記プリフォームの端部の外側にインサートを配置する。
前記インサートは、おそらく、複合熱可塑性材料で作られる。
ステップii)において、前記インサートは、圧密化ステップii)の間に前記テープ(10)と共同圧密化される。
第2態様によれば、本発明は、本発明の方法によって得られる少なくとも1つの圧密化細長織物要素を含む、タンク、特に圧力下で流体、さらに特に水素を貯蔵するためのタンクに関する。
いくつかの実施形態では、本発明によるタンクは、以下の1つ又は複数の追加の特徴を含む。
各圧密化細長織物要素は、それらの端部にインサートが設けられる。
前記インサートは、
前記圧密化細長要素を密閉するインサート、又は
流体を出し入れするための開口部を有するインサートである。
前記タンクは、コネクタを介して互いに直列に接続された複数の圧密化細長織物要素を含む。
発明者らは、本発明の方法によって得られた圧密化細長織物要素を含むタンクが、従来技術の複合タンクと比較して非常に優れた機械的強度を有することを示すことができた。
実際には、複合テープの編みを含む従来の方法とは対照的に、本発明の方法は、テープをクリンピングせずに巻き付けることが可能であり、これにより、繊維同士の交差点における局所的な過大の応力が防止され、したがって、圧密化後に得られる細長織物要素の機械的強度が向上する。
有利には、圧密化ステップii)は、圧力下で、特に、5~10バールの圧力下で実行することができ、これにより、機械的強度をさらに向上させるとともに、複合材料の気孔率を低減することができる。
湿式フィラメント状巻線又は熱可塑性複合テープの巻線を使用する従来の方法では、特に長時間にわたって高圧を加えることができないため、圧密化の品質は、通常、非常に低い。
さらに、発明者らは、圧力下でプリフォームを圧密化するステップii)により、得られた圧密化細長織物要素に、非常に低い残留気孔率、特に5%未満、さらに特に2%未満の残留気孔率を与え、これがタイプIV又は4.5タンクのライナーが果たすバリア効果を強化し、さらにはライナーを省略してタイプVタンクを得ることに役立つことを観察した。
さらに、別の利点によれば、複合テープを形成する熱可塑性ポリマー組成物が、半結晶質熱可塑性ポリマーであるか、又は半結晶質熱可塑性ポリマーを含み、特に、ポリフタルアミドであるか、又はポリフタルアミドを含む場合、冷却ステップの間に樹脂の結晶化により、有利には、圧力下での流体に対するタンクのバリア効果をさらに向上させることができる。
有利には、密閉金型内でプリフォームを圧密化するステップにより、熱可塑性テープを大気中に配置する際に生じる樹脂の熱酸化を低減することもでき、それによって得られた複合管状構造の機械的特性の向上に寄与する。
第3態様によれば、本発明は、本発明による方法のステップi)によって得られる未圧密化細長織物プリフォームに関する。
第4態様によれば、本発明は、本発明による水素貯蔵タンクを含む、特に自動車両用のバッテリーパックに関する。
第5態様によれば、本発明は、本発明によるタンクを製造するための、特に図1~図11に示される本発明による装置の使用に関する。
本発明による装置の一例の斜視図を示す。 図1に示す装置の反対側の角度から見た斜視図である。 本発明による細長要素の一例の斜視図を示す。 図3の細長要素の断面図である。 本発明によるモジュールの一例の斜視図を示す。 図5のモジュールの斜視図である。 本発明によるテープ給送手段の一例の斜視図を示す。 本発明による装置の実施形態の別の例の斜視図を示す。 図8に示す装置の反対側の角度から見た斜視図である。 本発明による可変横断面を含む細長要素の斜視図である。 本発明による曲げられた細長要素の断面図である。
図では、異なるバリエーションに共通する構造的要素及び/又は機能的要素が同じ参照番号を有してもよいことに注意されたい。
本発明について、以下のより詳細かつ非限定的な方式で説明する。
特に明記しない限り、数量に関する全ての百分率は、体積百分率である。
<タンクの製造方法>
第1態様によれば、本発明は、圧密化細長織物要素を含むタンク、特に圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法に関し、上記方法は、
各々が所定の角度で巻き付いた少なくとも1つのテープを含む複数層の熱可塑性複合テープを含む未圧密化細長織物プリフォームを、装置(1)により製造するステップ(i)と、
前のステップで得られた織物プリフォームを、熱可塑性複合テープを加熱及び冷却することで圧密化することにより、プリフォームが圧密化され、圧密化細長織物要素が得られる、ステップ(ii)と、を含み、
上記装置(1)は、フレーム(2)と、少なくとも2つのモジュール(4)と、を含み、
上記フレーム(2)は、方向Xに沿った主長手方向ガイド(3)を含み、上記ガイド(3)がフレーム(2)に取り付けられ、
上記少なくとも2つのモジュール(4)は、ガイド(3)の周囲に方向Xに沿って直列に配置され、各モジュール(4)は、
ガイド(3)の一部を囲む給送クラウン(5)と、
給送クラウン(5)に配置され、少なくとも1つのテープ(10)を、方向Xに対して-90°~90°の巻付角度で、かつ前進速度V1でガイド(3)に向かって給送し、各テープ(10)が少なくともガイド(3)の周囲又はテープ(10)の上層に巻き付く、給送手段(6)と、
回転速度V2でガイド(3)に対して回転するように給送クラウン(5)を駆動する駆動手段(15)と、を含み、
上記プリフォームは、
モジュール(4)のそれぞれに給送手段(6)を実装するステップであって、上記給送手段(6)は、選択されたテープ(10)を含み、選択された上記テープ(10)は、熱可塑性複合テープを含むステップと、
モジュール(4)のそれぞれの前進速度V1及び回転速度V2を設定し、各モジュール(4)を起動するステップと、
細長要素(11)を切断し、及び/又はテープ(10)を使い切るステップと、
得られた未圧密化細長織物プリフォーム(11)を回収するステップと、
を含む方法によって製造され、
ステップi)は、テープを編むいずれのステップも含まない。
-ステップi)-
ステップi)は、いわゆる織物テープ、さらに特に熱可塑性複合テープを使用して未圧密化細長織物プリフォームを製造することを含む。ステップi)は、図1~図11に示す特定の装置によって実行される。
本発明によって定義されるように、テープは、織物と呼ばれ、したがって繊維、例えば一方向性炭素繊維を含み、それは、次に乾燥繊維の問題である。本発明に適合するテープは、ガイドの周囲に巻き付けられる傾向があり、ガイドの周囲に巻き付けられたままになるのに十分な剛性の構造を含む。
プリフォームを製造するステップi)は、テープを編むいずれのステップも含まない。これにより、ステップi)は、クリンピングされない未圧密化細長織物プリフォーム、即ち、クリンピング(Eで示される)が0.5%未満、好ましくは0%である細長織物プリフォームを製造する役割を果たす。
「クリンピングされない」は、本発明によって定義されるように、織物の構成テープが波形ではないことを意味する。
布地の長さは、構成糸若しくはテープの長さより常に短く、これは、縦糸若しくはテープと横糸(又は、編み物若しくは織物の場合は糸/テープの方向が異なる)とを交差させると長さを消費するためである。上記差がクリンピングであり、百分率で表される。クリンピングは、上記織物内の糸又はテープが織物の局所平面に垂直な「起伏」を有することに例えられる。
クリンピングEは、布地、編み物及びより一般的にはその糸又はテープの面外起伏を含む織物の異なる方向の間の交差密度とともに増加する。クリンピングEは、以下のように百分率で定義される。
E=(L-L0)/L0×100
Lは、織物の長さであり、L0は、長さLの織物から得られる直線糸又はテープの長さである。0.5%未満、好ましくは0%のクリンピングは、理論的には、糸が完全にぴんと張ったことに対応し、即ち、起伏が存在しない状態に対応する。
[熱可塑性複合テープ]
用語「熱可塑性複合テープ」とは、無機材料の繊維と、温度の影響下で溶融し、その後に固化し、それによってプリフォームを圧密化する熱可塑性ポリマー組成物とを含むテープを指す。
さらに特に、ステップi)で使用された熱可塑性複合テープは、
無機材料の連続又は不連続の補強繊維と、
熱可塑性ポリマー組成物と、を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、熱可塑性複合テープは、
コアに熱可塑性ポリマー組成物で含浸されるか(一般的に「テープ」と呼ばれる)、又は
特に粉末状の熱可塑性ポリマーの組成物で予め含浸されるか、又は
熱可塑性ポリマーの繊維と混合され、一般的に「共混合テープ」と呼ばれる、無機材料の繊維を含む。
好ましい実施形態では、熱可塑性複合テープは、コアに熱可塑性ポリマー組成物で含浸されるテープである。
いくつかの実施形態では、熱可塑性複合テープは、熱可塑性ポリマーを含有する組成物で含浸される連続の繊維を含み、当該組成物は、ポリマーが非晶質である場合、ISO 11357-3:2013規格に従って測定されたガラス転移温度(Tg)が80℃より高く、好ましくは、100℃以上、より好ましくは、120℃より高く、ポリマーが半結晶質である場合、融点が150℃より高い。
いくつかの実施形態では、複合テープの熱可塑性ポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む。
いくつかの実施形態では、ポリアミドは、脂肪族、脂環式又は半芳香族ポリアミドである。
脂肪族ポリアミドは、PA5、PA5-10、PA6、PA66、PA6-10、PA6-12、PA6-18、PA9、PA10-10、PA10-12、PA11、PA12及びそれらの混合物から選択されてもよい。
半芳香族ポリアミドは、PA MPMDT/6T、PA11/10T、PA11/BACT、PA5T/10T、PA11/6T/10T、PA MXDT/4T、PA MXDT/6T、PA MXDT/10T、PA MPMDT/4T、PA MPMDT/6T、PA MPMDT/10T、PA BACT/10T、PA BACT/6T、PA BACT/4T、PA BACT/10T/6T、PA11/BACT/4T、PA11/BACT/6T、PA11/BACT/10T、PA11/MXDT/4T、PA11/MXDT/6T、PA11/MXDT/10T、PA11/MPMDT/4T、PA11/MPMDT/6T、PA11/MPMDT/10T、PA11/MXDT/10T、PA11/5T/10T及びそれらの混合物から選択されてもよい。
複合テープの繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩又は玄武岩含有繊維から選択されてもよい。
熱可塑性複合テープの繊維は、好ましくは、一方向性であり、これは、このような場合には、繊維が全て同じ方向、即ち、テープの長さに沿って配向されることを意味する。テープは、互いに重ね合わせられ、層ごとに異なる配向を有する複数層の繊維で構成することもできるが、このような場合でも、繊維は、不織布及び/又は非編み物である。
いくつかの実施形態では、複合テープの繊維含有量は、複合テープを形成する材料の40~70vol%、好ましくは、50~60vol%を占める。繊維の百分率は、ISO 14127:2008に記載された方法などの周知の方法によって決定することができる。
いくつかの実施形態では、選択されたテープ(10)は、非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)をさらに含む。
別の実施形態では、非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)は、熱可塑性複合テープの質量分率に比べて、プリフォームの小さな質量分率を占める。
また別の実施形態では、非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)のポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む。
実施形態の変形では、テープ(10)の厚さは、50~300μm、特に50~260μm、さらに特に60μm~170μmである。
実施形態の変形では、テープ(10)の幅は、5mm~50mm、特に10mm~15mmである。
テープは、織物要素の給送方向Xに対して厳密に-90°より大きく、織物要素の給送方向Xに対して厳密に90°未満の巻付角度でガイドに向かって配置される。
言い換えれば、テープ(10)の方向Xに対する巻付角度は、+90°~-90°の範囲にあり、+90°及び-90°の限界が含まれない。
いくつかの実施形態では、巻付角度は、+/-54.8°~+/-10°、好ましくは、+/-5°、より好ましくは、+/-1°に等しい。
本発明の一実施形態によれば、方法は、細長要素の直径又は横断面(円形断面を有するチューブに関わらない場合)を変更するステップをさらに含む。二次ガイドの実装以外の手段を使用して、細長要素の直径又は横断面(円形断面を有するチューブに関わらない場合)を拡大又は縮小することができる。
ステップi)の終了時にで得られた織物プリフォームは、一般的に、複数の層、特に使用されるモジュール(4)の数と同じ数の層を含む。各層は、少なくとも1つの隣接層のテープと同一の性質又は異なる性質を有するテープを巻き付けることにより形成される。
これにより、非複合熱可塑性テープは、特に、2層の熱可塑性複合テープの間に挿入することができ、及び/又は、プリフォームの内層を形成し、それにより圧密化後の細長織物要素の内層を形成することができる。非複合熱可塑性テープによって形成された上記内層は、特に、タンク内に含まれる流体に対するバリア層として機能することができる。
いくつかの実施形態では、熱可塑性複合テープ(10)と非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)の熱可塑性ポリマー組成物は、相溶性があり、さらに特に、完全に又は部分的に混和性があり、特に同一である。
溶接を可能にする上記組成物の全体的又は部分的な相溶性は、
溶接によって生成される界面層に存在する2つの組成物のガラス転移温度の差と、
溶接によって2つの組成物を混合する前の2つの組成物のガラス転移温度の差で割った値とからなる比率によって定義される。
上記比率が絶対値で0に等しい場合、相溶性は、完全であり、上記比率が絶対値で0と異なり1未満である場合、相溶性は、部分的である。漏れ防止層を形成する組成物に含まれるポリアミドと、中間層の繊維材料を含浸させる組成物に含まれるポリアミドとの完全な非相溶性が排除される。同様に、中間層の繊維材料を含浸させる組成物に含まれるポリアミドと、外層の繊維材料を含浸させる組成物中のポリアミドとの完全な非相溶性が排除される。
有利には、上記組成物の相溶性が部分的である場合、上記比率は、絶対値で、30%より小さく、優先的に20%より小さい。
いくつかの実施形態では、混合物のガラス転移温度は、相溶性が完全又は部分的であるか否かに応じて、混合前の上記ポリアミドのガラス転移温度の範囲内にあり、かつ、上記ポリアミドのガラス転移温度とは少なくとも5℃、好ましくは少なくとも10℃異なる必要がある。
表現「完全に相溶性がある」は、例えば、それぞれTgaとTgbを有する、PAaとPAbで示される2つのポリアミドが、それぞれ2つの隣接する漏れ防止層又は補強層に存在し、TgaがTgbより小さい場合、2つのポリアミドの混合物が1つのTgabのみを有し、その値がTgaと1つのTgbの間に含まれることを意味する。
有利には、上記組成物の相溶性が部分的である場合、上記比率は、絶対値で、30%より小さく、優先的に20%より小さい。
いくつかの実施形態では、混合物のガラス転移温度は、相溶性が完全又は部分的であるか否かに応じて、混合前の上記ポリアミドのガラス転移温度の範囲内にあり、かつ、上記ポリアミドのガラス転移温度とは少なくとも5℃、好ましくは少なくとも10℃異なる必要がある。
表現「完全に相溶性がある」は、例えば、それぞれTgaとTgbを有する、PAaとPAbで示される2つのポリアミドが、2つの隣接する層に存在し、TgaがTgbより小さい場合、2つのポリアミドの混合物が1つのTgabのみを有し、その値がTgaと1つのTgbの間に含まれることを意味する。
そして、Tgab値は、Tgaより少なくとも5℃、さらに特に少なくとも10℃高く、Tgbより少なくとも5℃、さらに特に少なくとも10℃低くなる。
表現「部分的に相溶性がある」は、例えば、それぞれTgaとTgbを有する、PAaとPAbで示される2つのポリアミドが、2つの隣接する漏れ防止層又は補強層に存在する場合、2つのポリアミドの混合物がTg’a及びTg’bの2つのTgを有し、かつTga<Tg’a<Tg’b<Tgbであることを意味する。
そして上記Tg’a値及びTg’b値は、Tgaより少なくとも5℃、さらに特に少なくとも10℃高く、Tgbより少なくとも5℃、さらに特に少なくとも10℃低くなる。
2つのポリアミドの非相溶性により、2つのポリアミドの混合物中に2つのTg、即ち、Tga及びTgbが存在することになり、これらは、個別に使用された純粋なポリマーのTg、即ち、Tga及びTgbにそれぞれ対応する。
2つのポリアミドの混合物のガラス転移温度が混合前の温度と同一又は異なるが、2つのポリアミドが、互いに反応性がある場合、それは本発明の範囲外ではない。
別の実施形態によれば、プリフォームは、複数層の熱可塑性複合テープを含んでもよく、熱可塑性ポリマーは、隣接する層の熱可塑性ポリマーと比較して、同一の性質又は異なる性質を有する可能性がある。
プリフォームは、最大50層、特に47層を含むことができる。特に、プリフォームは、10層の非複合熱可塑性テープと37層の熱可塑性複合テープとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プリフォームは、圧密化後に漏れ防止層を形成する非複合熱可塑性テープの10層の内層と、補強層を形成する10~50層の熱可塑性複合テープ、特に37層の熱可塑性複合テープ、さらに特にコアに含浸された37層の熱可塑性複合テープとを含む。
実施形態の変形では、ステップi)で製造された織物プリフォームは、横断面の変化、特に横断面の狭小化、さらに特に方向Xに沿った順次的な横断面の狭小化を含む。
いくつかの実施形態では、細長要素は、横断面の狭小化の部位で切断され、必要に応じて、そこにインサートを配置することができる。
本発明の1つの特徴によれば、プリフォームを製造する装置の各モジュールは、独立した給送手段を含む。これにより、各モジュールは、異なる性質のテープを分配することができる。テープの性質及び寸法は、層ごとに異なってもよい。
本発明の別の特徴によれば、主長手方向ガイドは、実質的に円形若しくは多角形の横断面、又は自由形状の横断面を含む。得られた細長要素は、使用に応じて、チューブの形状を有するか、又はより複雑な形状を有することができる。
本発明のさらに別の特徴によれば、給送手段は、給送クラウンの周囲に配置された少なくとも1つのテープディスペンサーを含む。テープディスペンサーの実装により、テープの容易な収納及び主ガイドへの分配が可能になり、テープディスペンサーが、給送クラウンの回転速度に基づいてガイドの周囲を回転することができる。
本発明の一実施形態によれば、テープディスペンサーは、給送クラウン上に回動手段を含む。回動手段の使用は、テープの分配をガイドに向け、それによりテープとガイドとの角度を-90°~90°の間で選択する役割を果たす。同じモジュールの全てのテープは、ガイドと実質的に同じ角度を有する。
本発明の別の実施形態によれば、テープディスペンサーは、テープディスペンサーから出る少なくとも1つのテープを切断する少なくとも1つのギロチンと、テープをガイドに向かって移動させる電動要素とを含む。
本発明の別の実施形態によれば、テープディスペンサーは、既存の層又は上層にテープを溶接する溶接手段、例えば、超音波溶接手段を含む。使用されるテープの性質に適合する他の溶接手段は、本発明の構想において可能である。細長要素の直径又は横断面(円形の横断面を有するチューブに関わらない場合)が変化するとき、1つ又は複数のテープを追加又は削除することが有利であり、これは、ギロチン及び/又は溶接手段の使用により、本発明の文脈で可能である。
本発明の一実施形態によれば、装置は、モジュールのテープをガイドする引張補助装置をさらに含む。
引張補助を使用すると、異なる層のテープが主ガイドに沿って摺動することを容易にする。引張補助装置の実施形態の一例は、方向Xに沿って最後のモジュールの下流に配置された少なくとも1つのローラのシステムであってもよい。上記ローラは、テープの層が主ガイド上を摺動することに十分な圧力を加える。
テープの性質に応じて、補助装置は、その剛性によりガイド上を単独で前進することができる織物要素の製造中に取り外すことができる。別の実施形態によれば、テープの性質は、いずれの引張補助も必要としない。
本発明の実施形態の変形によれば、装置は、主ガイドの直径又は横断面(円形の横断面のチューブに関わらない場合)より大きい直径又は横断面を有し、主ガイド上を移動する二次長手方向ガイドをさらに含む。装置が動作している場合、より大きい直径又は横断面を有する二次ガイドを使用すると、細長要素の直径又は横断面(チューブに関わらない場合)を増加させ、テープは、二次ガイドに配置される。
前進速度V1は、主ガイド上の織物要素の前進速度に対応する。したがって、前進速度V1は、モジュールのそれぞれの前進速度と実質的に同じである。各モジュールの前進速度V1及び回転速度V2は、一方では、モジュールのそれぞれによって給送されるテープの間に定義される角度と給送速度とに関連する。
本発明の一実施形態によれば、方法は、収納リールに巻き付けられた細長要素を収納するステップをさらに含む。本発明による方法により、テープ給送手段が使い切られるまで、例えば1キロメートルに達する可能性のあるかなり大きい細長要素を製造することができる。装置の出口で細長要素をリールに収納すると、取り扱いが容易になる。
本発明の実施形態の変形によれば、方法は、引張補助装置の実装によるテープの引張補助のステップをさらに含む。引張補助は、織物要素の最後の層を輸送する最後のモジュールの下流に配置される。オペレータは、例えば、各層のテープを引張補助にガイドすることができ、次に引張補助が異なる層を主ガイド上に摺動させることに役立つ。
本発明の一実施形態によれば、収納リールは、製造装置のモジュールの給送手段からのテープのための引張補助装置である。
本発明の一実施形態によれば、方法は、第1モジュールに二次長手方向ガイドを配置し、上記二次ガイドを方向Xに沿って移動させる追加のステップをさらに含む。二次ガイドにより、製造される細長要素の直径又は横断面(チューブに関わらない場合)を拡大することができ、或いは、第1二次ガイドが既に使用される場合には、要素の直径又は横断面を縮小することができる。
本発明の一実施形態によれば、方法は、得られた細長要素を周囲温度で所望の角度に曲げるステップをさらに含む。製造装置の利点は、細長要素を室温で曲げることができることである。
本明細書で定義されるように、「周囲温度」は、15~25℃の温度を意味する。
-ステップii)-
次に、熱可塑性複合テープを加熱及び冷却することにより、ステップi)で得られた細長織物プリフォームを圧密化する。
さらに特に、熱可塑性複合テープを溶融及び冷却することにより、細長織物プリフォームを圧密化する。
加熱及び冷却ステップは、プリフォームを形成する異なる層のテープを共に溶接する役割を果たす。したがって、加熱温度は、選択されたテープ(10)の性質に応じて決定される。
ステップii)は、一般的に、1バール~25バール、特に5バール~10バール、さらに特に6バール~8バールの圧力で実行される。
ステップii)は、金型内で、特にプリフォームの外部で、さらに特に密閉金型内で実行されてもよい。
ステップii)の実施形態によれば、圧力は、プリフォームの内部のブラダによって加えられる。
ステップii)のさらに別の実施形態によれば、ステップi)で得られたプリフォームの端部、好ましくは、プリフォームの端部の外側にインサートを配置する。言い換えれば、インサートの内面は、プリフォームの外面と接触してもよい。
インサートは、特に金属製であってもよく、熱可塑性材料、必要に応じて、複合材で作られてもよい。
これにより、ステップii)の間に、インサートは、有利には、圧密化ステップii)の間にプリフォームのテープと共同圧密化される。プリフォームの内部のブラダによって圧力が加えられる場合、プリフォームのテープは、インサートの内壁に押し付けられ、これにより、特にプリフォームの優れた圧密化を得て、またプリフォームとインサートとの間の溶接、ひいては機械抵抗を改善することができる。
このような実施形態では、チューブ又は中空体の軸の周りのテープの巻付角度が65°より大きい場合、テープを定期的に切断してその圧密化を容易にすることが好ましい。
<タンク>
別の態様によれば、本発明は、上述した方法によって得られる少なくとも1つの圧密化細長織物要素を含む、タンク、特に圧力下で流体、さらに特に水素を貯蔵するためのタンクに関する。
各圧密化細長織物要素は、一般的に、それらの端部にインサートが設けられる。各圧密化細長織物要素は、特に、
流体を出し入れするための開口部が設けられた少なくとも1つのインサートと、必要に応じて、
それらの端部のうちの1つに細長要素を密閉し圧密化するインサートと、を含んでもよい。
圧密化細長織物要素は、それらの端部のそれぞれに、流体を出し入れするための開口部が設けられたインサートを含んでもよい。このような場合、圧密化細長織物要素は、通常、コネクタを介して他の細長要素に接続される。
いくつかの実施形態では、タンクは、コネクタを介して互いに直列に接続された複数の細長要素を含む。
さらに特に、直列の第1圧密化細長織物要素は、流体を入れるための開口部を含むインサートが設けられ、最後の圧密化細長織物要素は、それを密閉するインサートが設けられ、中間の圧密化細長織物要素は、それらの端部のそれぞれに、直列の第1細長要素と最後の細長要素との間で流体を循環させることができる開口部が設けられたインサートが装備される。
有利には、タンクは、適合性があり、特に自動車両用のバッテリーパックなどの非常に小さな容積内に挿入することができる。
<プリフォーム>
さらに別の態様によれば、本発明は、上記で定義した方法のステップi)によって得られる未圧密化細長織物プリフォームに関する。
<バッテリーパック>
さらに別の態様によれば、本発明は、上記で定義した流体、さらに特に水素を貯蔵するためのタンクを含む、特に自動車両用のバッテリーパックに関する。
<図面の詳細な説明>
図1及び図2に示され、全体として参照符号1で示される本発明による装置は、未圧密化細長織物要素の製造を意図する。このため、装置1は、方向Xに沿った主長手方向ガイド3を含むフレーム2と、前記ガイド3の周囲に方向Xに沿って直列に配置された少なくとも2つのモジュール4とを含む。
主長手方向ガイド3は、フレーム2に固定される。図示の実施形態によれば、主長手方向ガイド3は、円形の横断面を有し、これにより管状の形状を有する。このような形態は、本発明を限定するものではなく、ガイド3の他の形態も本発明と互換性がある。ガイド3は、直線状であり、正方形、長方形、四角形、三角形、多角形、円形、楕円形、又は混合形状及び/又は自由形状などの異なる形状の横断面を有してもよい。
本発明による装置1のモジュール4は、一側に、主長手方向ガイド3の一部を囲む給送クラウン5を含む。図示の例によれば、給送クラウン5は、ガイド3が位置する中央孔を含む実質的に円盤の形態を有する。
モジュール4は、他側に、給送クラウン5に配置された給送手段6を含む。図示の実施形態では、給送手段6は、円盤の一面に配置され、少なくとも1つのテープ10を、方向Xに対して-90°~90°の間の角度でガイド3に向かって給送する。
本発明に適合するテープ10は、一方では、ガイド3に巻き付けられるほど十分に柔軟である。図3は、本発明による装置1によって得られた細長要素11を示す。異なる角度で配置されたテープ10の連続層により、得られた細長要素11がその形状を維持できるようにする。図4は、連続層が見える細長要素11の断面を示す。
クラウン5に配置された給送手段6は、少なくとも1つのテープ10を、方向Xに対して-90°~90°の間の選択された角度でガイド3に向かって給送する。各テープ10は、少なくともガイド3の周囲に、又はすでに存在するテープ10の層、即ち、上層に、選択された全体的な前進速度V1で巻き付けられる。
各モジュール4は、また、クラウン5の駆動手段15をさらに含む。図2によると、また図5にも見られるように、駆動手段15は、給送手段6とは反対側のクラウン5の面に位置する。クラウン5の駆動手段15は、回転速度V2でクラウン5をガイド3の周囲に回転させる役割を果たす。図示の実施形態によれば、駆動手段15は、クラウン5の回転速度V2を実現するために、特にクラウン5を回転させるベルトを含むモータと、モータの制御ユニットとを含む。このような構成は、本発明を限定するものではない。
図1及び図2に示す装置は、2つのモジュール4を含む。第1モジュール4の給送手段6は、テープ10のディスペンサー20を2つ含み、第2モジュール4の給送手段6は、テープ10のディスペンサー20を1つだけ含む。異なるモジュール4の給送手段6は、実際に、互いに独立する。これにより、各モジュール4は、異なる性質のテープ10及び層ごとに選択された数のテープ10を輸送することができる。
図6は、テープ10のディスペンサー20を6つ含むモジュール4を示す。テープ10のディスペンサー20は、給送クラウン5の周囲に配置される。図示の実施形態によれば、テープ10のディスペンサー20は、回動手段22によってクラウン5の一面に固定されたリール21を含む。
図示の実施形態によれば、限定されないが、回動手段22は、固定部23と、リール21に向けられた回動部24とを含む。リール21は、回動部24内で自由に回動することができ、回動部は、固定部23に対して自由に回動することができる。これにより、リール21は、所望の構成で配置することができ、回動手段22は、ディスペンサー20の所望の配置でブロックすることができる。
図7は、本発明の特定の実施形態を示し、テープ10のディスペンサー20は、ディスペンサー20の出口でテープ10を切断するギロチン25と、切断後のテープを給送するモータMと、テープ10をテープ10の既存の層又は上層に溶接する超音波溶接手段26をさらに含む。モータM、ギロチン25及び溶接手段26の図示は、図7において概略的であり、他の実施形態、特にディスペンサー20の外側のテープ10に作用する手段を有する実施形態が可能である。
図8及び図9は、本発明の特定の実施形態を示す。装置1は、3つのモジュール4を含む。第1モジュール4は、テープ10のディスペンサー20を4つ含み、各ディスペンサー20は、テープ10を前進方向Xに沿って配置し、即ち、テープ10とガイド3との角度は0度である。第2モジュール4は、テープ10のディスペンサー20を2つ含み、最後に、第3モジュール4は、テープ10のディスペンサー20を1つだけ含む。このような実施形態は、本発明を限定するものではない。
本発明による細長要素11を製造するために、第1ステップは、装置1のモジュール4のそれぞれに給送手段6を実装することである。このために、図示の例によれば、選択されたテープ10をそれぞれ含むリール21は、装置1の各給送クラウン5に配置される。
好ましくは、リール21は、モジュールごとに同じテープ10を給送し、各モジュール4は、異なるタイプのテープリール10を含んでもよい。
図8及び図9に示す例によれば、使用されるテープ10は、幅が20~10mmであり、厚さが約150ミクロンである。
方法の第2ステップは、一方は前進速度V1を、もう一方はモジュール4のそれぞれの回転速度V2をパラメータ化することである。2つの値を正確に調整して設定することにより、各給送手段6について、テープ10とガイドとの所望の角度を定義することが可能にでき、当該角度は、2つの間隔限界を除いて-90°~90°の間で変化する。例えば、図8及び図9に示す装置の例によれば、テープ10の第1層は、方向Xに対して0°に近い角度で配置され、テープ10の第2層は、方向Xに対して約80°の角度で配置され、第3層は、方向Xに対して-80°に近い角度で配置される。
構成の一例は、前進速度V1を実質的に毎分1メートルに、それぞれテープ10を分配する2つのモジュール4の回転速度V2を実質的に毎分360回転に定義することである。この例は、本発明を限定するものではない。
次に、モジュール4が起動される。
テープ10の性質に応じて、要素11の異なる層からテープ10を引っ張ることを補助するために、引張補助装置30が実装される。図8及び図9に示す実施形態によれば、第1モジュール4から来る第1層のテープ10は、主ガイド3上を摺動して、使用された他の2つのモジュール4を通過する。第1層のテープ10は、その性質上可能であれば単独で摺動することができるか、又は手動で摺動することができる。他の層のテープ10は、前の層に配置され、その後、引張補助装置30を通過する。補助装置30は、方法の実施に必ずしも必要ではないが、使用されたテープ10の性質に応じて、異なる層が方向Xに向かって摺動することを補助することができる。
特に、第1層のテープが方向Xに対して0°に近い角度で配置される特定の実施形態によれば、上記テープ10を前進させるために手動の補助が必ずしも必要ではない。
別の実施形態によれば、テープ10の他の層が第1層に重ね合わせられると、細長要素11は、補助なしで製造され、引張補助装置30は、もはや不要になり、取り外すことができる。使用されるテープ10の性質により、テープがそのリール21から効果的に展開できない場合、補助開始の移行期間が必要になってもよい。
製造された細長要素11は、収納リールに巻き付けて収納することができ、これにより、その後の取り扱いが容易になる。細長要素11は、製造時に、所望のサイズ及び以下で説明する追加のステップ、例えば、寸法の増加又は減少に応じて切断することもできる。
一実施形態(図示せず)によれば、収納リールは、テープ10の引張補助装置である。実際には、その巻いた状態の間は、織物要素11によって、織物要素11を形成するテープ10が引っ張られる。
細長要素11が所望のサイズである場合、細長要素11を切断することができる。方法を終了する別の方式は、テープ10が使い切られるまで待つことである。
得られた織物と未圧密化細長要素11は、最後に回収することができる。寸法が許せば、次に圧密化ステップ、例えば、熱成形ステップを適用することができる。細長要素11の圧密化中に、細長要素11の寸法、特にその周囲を10~20%程度わずかに変更することもできる。
特定の実施形態によれば、製造中に第1モジュール4に二次長手方向ガイド(図示せず)が配置される。主ガイド3の直径又は横断面より大きい直径又は横断面を有する二次ガイドは、第1モジュール4の上流に配置され、細長要素11の製造方向に向かって移動する。次に、異なるモジュール4のテープ10が二次ガイドに配置され、二次ガイドを通過した後に再び主ガイド3に配置される。これにより、細長要素11の製造中にその直径又は横断面又は全体的な形状を大幅に増加させることもできる。このような細長要素11は、図10に示される。
直径又は断面が大きくなると、対応するモジュール4によって給送されるテープ10と同様のテープ10を超音波溶接手段26によって追加することができ、それによって、細長要素11の表面の増加によって形成される可能性のある開口部を埋めることができ、図10に示されるこのような例では、要素11の直径が大きくなると、上層の下にある層にテープ10が追加され、要素11の直径が小さくなると、テープ10が切断される。
本発明の別の実施形態によれば、装置1によって得られた細長要素11は、図11に示される細長要素11のように、周囲温度で所望の角度に曲げられる。得られた細長要素11の曲げ剛性によって可能になる場合、周囲温度で曲げるステップを手作業で実行することができる。
図示されていない別の実施形態によれば、細長要素11は、それを構成するテープ10の層の1つに固体マトリックスを組み込むことによって圧密化することもできる。
当然のことながら、添付の特許請求の範囲の枠組み内で、本発明に様々な他の変更を行うことができる。
<(本発明による)実施例1>
熱可塑性複合テープのマトリックスを構成する樹脂は、11/BACT/10Tであり、使用される繊維は、Hyosung 2550 G10炭素繊維であり、繊維の含有量が53vol%である。
複合テープで得られた複合材の0°(繊維方向)での破断時の引張応力は、2700MPaである。テープは、平均で、幅が17インチであり、厚さが137μmである。
プリフォーム内では、熱可塑性複合テープは、管状タンクの軸から+/-55°の位置に配置される。プリフォームには、最初の直径の半分に相当する横断面の制限部があり、それによって金属インサートをプリフォームの両端の外側に配置できるようになっている。
プリフォームは、37層の熱可塑性複合テープを含む。
プリフォームは、1m/minの速度で連続的に製造された。
プリフォームは、300℃で6バールの圧力下で圧密化される。温度上昇時間、300℃で保持する時間および冷却時間は、20分間である。
タンクは、タイプVであり、即ち、追加の漏れ防止層がなく、複合補強材が圧力に耐えるだけでなく、そのような機能を保証する。
管状タンクは、全長が123mであり、内径が、中央部では110mmであり、制限部では55mmであり、中央部と制限部との間の遷移部が45度の角度で円錐形になる。複合補強材の厚さは、5mmである。構造上の積み重ねは、いずれの編みも含まず、クリンピングEは、0.5%未満である。タンクの破壊圧力は、1605バールである。
得られた管状タンクは、10リットルの容量を有し、2.98kgの複合材を含む。
<(本発明による)実施例2>
熱可塑性複合テープのマトリックスを構成する樹脂は、11/BACT/10Tであり、使用される繊維は、Hyosung 2550 G10炭素繊維であり、繊維の含有量が53vol%である。
複合テープで得られた複合材の0°(繊維方向)での破断時の引張応力は、2700MPaである。テープは、平均で、幅が17インチであり、厚さが137μmである。
プリフォーム内では、熱可塑性複合テープは、管状タンクの軸から+/-55°の位置に配置される。プリフォームには、最初の直径の半分に相当する横断面の制限部があり、それによって金属インサートをプリフォームの内側に配置できるようになっている。
プリフォームは、平均で、幅が17インチであり、厚さが200μmであり、ポリアミド11で作られた10層の熱可塑性テープと、幅が17インチであり、厚さが137μmである37層の熱可塑性複合テープとを含む。
プリフォームは、1m/minの速度で連続的に製造された。
プリフォームは、300℃で6バールの圧力下で圧密化される。温度上昇時間、300℃で保持する時間および冷却時間は20分間である。
熱可塑性複合テープのマトリックスを構成する樹脂は、11/BACT/10Tであり、使用される繊維は、Hyosung 2550 G10炭素繊維であり、繊維の含有量が55vol%である。テープの幅は、17インチである。構造上の積み重ねは、いずれの編みも含まず、クリンピングEは、0.5%未満である。
管状タンクは、長さが1.33mであり、内径が、複合補強材の中央部では110mmであり、制限部では55mmであり、中央部と制限部との間の遷移部が45度の角度で円錐形になる。複合補強材の厚さは、5mmであり、プリフォームに含まれる熱可塑性テープの圧密化によって得られたポリアミド11の漏れ防止層の厚さは、2mmである。したがって、タンクの内径は、中央部では106mmであり、制限部では51mmである。
2層は、完全に一体に溶接され、タンクは、一体型である。このタイプのタンクは、タイプ4.5である(漏れ防止層と複合材のマトリックスの層とは、化学的性質が異なるが、2つの樹脂は、部分的に混和性があるため、その間の完全な溶接が可能になる)。
タンクの破壊圧力は、1620バールである。
得られた管状タンクは、10.15リットルの容量を有し、3.22kgの複合材及び0.89kgのポリアミド11ライナーを含む。
<(本発明による)実施例3>
直径が25mmの金具による接続(ねじ接続を含む)により、例2で説明したように6つの管状タンクを接続して、容量が約61リットルの、自動車に適合するH2タンクを形成する。6つの管状タンクで構成されるタンクは、6つの管状タンクを個別に使用した場合と同じ1620バールの圧力に耐える。6つのプリフォームの圧密化は、6つの異なる密閉金型で、300℃で6バールの圧力下で並行して実行された。温度上昇時間、300℃に保持する時間、冷却時間は20分間であった。
使用された複合材の総重量は、19.3kgである。
完全な適合性のあるタンクの総製造時間は、39分間であり、以下のように、
プリフォームの製造時間6×1.21=7.26分+切断時間、即ち、プリフォームを圧密化する準備が整うまでの合計8分間、
6つのプリフォームをインサートとともに金型に配置するための3分間、
6つのプリフォームを圧密化するための成形時間20分間、
6つのプリフォームの離型時間3分間、及び
6つの管状タンクを互いに接続するための組み立て時間5分間に分けられる。
<実施例4(比較)>
自動車用タンクの構造は、内容積が61リットルであり、外径が400mmであり、長さが0.88m(底部を含む)であり、破壊圧力が1610バールである。
タンクは、タイプIVであり、外側に重量が36.7kgの複合補強材を有し、内側に重量が5kgのポリエチレンの漏れ防止層を有する。漏れ防止層と複合補強材とが接着されない。
複合補強材は、エポキシマトリックスと東レ製炭素繊維(ref.T700S)で構成され、繊維の含有量が70wt%又は59vol%である(使用された炭素繊維の密度は、1.8であり、エポキシ樹脂の密度は、1.1である)。複合補強材は、湿式フィラメント状巻線によって製造され、乾燥繊維をクリールから巻き出し、エポキシ樹脂の液体前駆物質を含む溶液槽内を室温で0.8m/sの速度で通過させることにより樹脂を含浸させる。4本のストランドを同時にライナーに巻き付ける。各炭素ストランドは、1200本のフィラメント(炭素ストランド12K)を含み、線密度が0.83g/mである。繊維の含有量が70wt%である場合、含浸された各ストランドの線密度は1.18g/mである。これにより、4本のストランドを並列に0.8m/sで巻き付ける作業全体は、約2.7h続く。このようなステップの後、樹脂をオーブン内に60℃で8h重合させる。
したがって、タイプIVタンクの製造時間は、本発明による実施例3の適合性のあるタイプVタンクの製造時間よりはるかに長く、はるかに多くの複合材を消費し、したがって、炭素繊維の価格がタンクのコストの主要な要因となるため、かなり重く、より高価になることが分かる。これは、タイプIVタンクの複合補強材の有効性が、実施例3のタイプVタンクを構成する複合材の有効性より少なくとも2倍低いことを示し、実際には、同じ容積の水素ガス(61l)を収容しながら同じ1600バールの内部圧力に耐えるために、エポキシ炭素複合材で作られたタイプIVタンクは、PPA炭素複合材で作られた適合性のあるタンクより約2倍の複合材を必要とする。

Claims (31)

  1. 圧密化細長織物要素を含むタンク、特に圧力下で流体を貯蔵するためのタンクの製造方法において、
    各々が所定の角度で巻き付いた少なくとも1つのテープを含む複数層の熱可塑性複合テープを含む未圧密化細長織物プリフォームを、装置(1)により製造するステップ(i)と、
    前のステップで得られた前記未圧密化細長織物プリフォームを、前記熱可塑性複合テープを加熱及び冷却することで圧密化することにより、前記未圧密化細長織物プリフォームが圧密化され、圧密化細長織物要素が得られるステップ(ii)と、を含み、
    前記装置(1)は、フレーム(2)と、少なくとも2つのモジュール(4)と、を含み、
    前記フレーム(2)は、方向Xに沿った主長手方向ガイド(3)を含み、前記主長手方向ガイド(3)が前記フレーム(2)に取り付けられ、
    前記少なくとも2つのモジュール(4)は、前記主長手方向ガイド(3)の周囲に方向Xに沿って直列に配置され、各モジュール(4)は、
    前記主長手方向ガイド(3)の一部を囲む給送クラウン(5)と、
    前記給送クラウン(5)に配置され、少なくとも1つのテープ(10)を、方向Xに対して-90°~90°の巻付角度で、かつ前進速度V1で前記主長手方向ガイド(3)に向かって給送し、各テープ(10)が少なくとも前記主長手方向ガイド(3)の周囲又は前記テープ(10)の上層に巻き付く、給送手段(6)と、
    回転速度V2で前記主長手方向ガイド(3)の周囲に回転するように前記給送クラウン(5)を駆動する駆動手段(15)と、
    を含み、
    前記未圧密化細長織物プリフォームは、
    前記モジュール(4)のそれぞれに給送手段(6)を実装するステップであって、前記給送手段(6)は、選択されたテープ(10)を含み、選択された前記テープ(10)が少なくとも熱可塑性複合テープを含むステップと、
    前記モジュール(4)のそれぞれの前進速度V1及び回転速度V2を設定し、各モジュール(4)を起動するステップと、
    細長要素(11)を切断し、及び/又はテープ(10)を使い切るステップと、
    得られた未圧密化細長織物プリフォームを回収するステップと、
    を含む方法によって製造され、
    前記ステップi)は、テープを編むいずれのステップも含まない、
    方法。
  2. 前記熱可塑性複合テープは、
    無機材料の連続又は不連続の補強繊維と、
    熱可塑性ポリマー組成物と、を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記無機材料の補強繊維は、
    熱可塑性ポリマー組成物でコアに含浸されるか又は予め含浸され、或いは、
    熱可塑性ポリマーの繊維と混合される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記熱可塑性複合テープは、熱可塑性ポリマーを含有する組成物で含浸される連続の繊維を含み、前記組成物は、前記熱可塑性ポリマーが非晶質である場合、ISO 11357-3:2013規格に従って測定されたガラス転移温度(Tg)が80℃より高く、好ましくは、100℃以上、より好ましくは、120℃より高く、前記熱可塑性ポリマーが半結晶質である場合、融点が150℃より高い、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記熱可塑性複合テープの熱可塑性ポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む、請求項2~4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ポリアミドは、脂肪族、脂環式又は半芳香族ポリアミドである、請求項5に記載の方法。
  7. 前記脂肪族ポリアミドは、PA5、PA5-10、PA6、PA66、PA6-10、PA6-12、PA6-18、PA9、PA10-10、PA10-12、PA11、PA12及びそれらの混合物から選択される、請求項6に記載の方法。
  8. 前記半芳香族ポリアミドは、PA MPMDT/6T、PA11/6T、PA11/10T、PA11/BACT、PA5T/10T、PA11/6T/10T、PA MXDT/4T、PA MXDT/6T、PA MXDT/10T、PA MPMDT/4T、PA MPMDT/6T、PA MPMDT/10T、PA BACT/10T、PA BACT/6T、PA BACT/4T、PA BACT/10T/6T、PA11/BACT/4T、PA11/BACT/6T、PA11/BACT/10T、PA11/MXDT/4T、PA11/MXDT/6T、PA11/MXDT/10T、PA11/MPMDT/4T、PA11/MPMDT/6T、PA11/MPMDT/10T、PA11/MXDT/10T、PA11/5T/10T及びそれらの混合物から選択される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記熱可塑性複合テープの繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩又は玄武岩含有繊維から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記熱可塑性複合テープの繊維は、一方向性であり、即ち、全部が前記テープの長さに沿って配向される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記熱可塑性複合テープの繊維含有量は、前記熱可塑性複合テープの40~70vol%、好ましくは、50~60vol%を占める、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  12. 選択された前記テープ(10)は、非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)は、前記熱可塑性複合テープの質量分率に比べて、前記プリフォームの小さな質量分率を占める、請求項12に記載の方法。
  14. 前記非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)を形成するポリマー組成物は、主に、ポリアミド、好ましくは、半結晶ポリアミドを含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記熱可塑性複合テープの熱可塑性ポリマー組成物と、前記非複合熱可塑性ポリマーテープ(10)の前記ポリマー組成物とは、相溶性があり、特に同一である、請求項14に記載の方法。
  16. 前記テープ(10)の幅は、50~300μm、特に50~260μm、さらに特に60μm~170μmである、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記テープ(10)の幅は、5mm~50mm、特に10mm~15mmである、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記テープ(10)の巻付角度は、方向Xに対して+90°~-90°である、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記巻付角度は、+/-54.8°~+/-10°、好ましくは、+/-5°、より好ましくは、+/-1°である、請求項18に記載の方法。
  20. 前記ステップi)で製造された前記未圧密化細長織物プリフォームは、断面の変化、特に方向Xに沿った順次的な断面の変化を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記ステップii)は、金型内で、特に前記未圧密化細長織物プリフォームの外部で、さらに特に密閉金型内で実行される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  22. ステップii)の間に、圧力は、前記未圧密化細長織物プリフォームの内部のブラダによって加えられる、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  23. ステップii)の前に、ステップi)で得られた前記未圧密化細長織物プリフォームの端部、好ましくは、前記未圧密化細長織物プリフォームの端部の外側にインサートを配置する、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記インサートは、必要に応じて、複合熱可塑性材料で作られる、請求項23に記載の方法。
  25. ステップii)において、前記インサートは、前記圧密化するステップii)の間に前記テープ(10)と共同圧密化される、請求項23又は24に記載の方法。
  26. 請求項1~25のいずれか一項に記載の方法によって得られる少なくとも1つの圧密化細長織物要素を含む、タンク、特に圧力下で流体、さらに特に水素を貯蔵するためのタンク。
  27. 各圧密化細長織物要素は、それらの端部にインサートが設けられる、請求項26に記載のタンク。
  28. 前記インサートは、
    前記圧密化細長織物要素を密閉するインサート、又は流体を出し入れするための開口部を有するインサートである、請求項27に記載のタンク。
  29. コネクタを介して互いに直列に接続された複数の圧密化細長織物要素を含む、請求項26~28のいずれか一項に記載のタンク。
  30. 請求項1~25のいずれか一項に記載の方法のステップi)によって得られる、未圧密化細長織物プリフォーム。
  31. 請求項26~29のいずれか一項に記載の水素を貯蔵するためのタンクを含む、特に自動車両用のバッテリーパック。
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